基于区域站与国家站观测的气温、降水相关性分析

汪文烈，韦玮，马林

(安徽省铜陵市气象局，安徽 铜陵 244000)

气候理论研究和气象科技服务都需要大量的台站观测资料，但我国现有国家级观测站(简称国家站)基本上依据行政区划分布，存在气象观测站点布局不合理现状。为此，从2001年开始，国家启动了自动气象站的布局建设。区域自动气象站(简称区域站)是我国近年来大量布设的地面自动观测系统，是我国综合气象观测系统的重要组成部分[1]。它大多安装在乡镇、行政村等偏远地区，能获取国家站空白区域的气象资料。不仅提高了对中小尺度天气系统和短时效灾害性天气系统的监测能力，也为各级政府指挥应对各种气象灾害提供了重要的决策依据[2]。但对于区域站的研究，大多在于设备故障、数据质控及其应用等方面[3-5]，对于其观测资料本身与区域内国家站观测资料之间的相关性、代表性，却少有研究。

铜陵地区位于长江中下游，兼具暖温带和亚热带气候特征，是全国多暴雨区之一[6]。笔者以全市2个国家级观测站和辖区内25个区域自动站的10 a(2006—2015年)日级气温、降水资料为鉴，按年、季序列进行平均降水的时空相关性分析，以期为区域站的选址建设、资料应用等提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

本文资料取自经安徽省气象局气候中心质控的全市辖区内所有国家站和区域站10 a(2006—2015年)逐日降水观测资料。铜陵地区共设有2个国家级气象观测站，分别为铜陵站和枞阳站；49个区域自动气象观测站，其中2006年之前投入使用的共25个(具备测量气温功能的有7个)。文中将2个国家站(铜陵站和枞阳站)气温、降水资料的均值称作国家站，将25个(气温为7个)区域站均值称作区域站。

1.2 方法

将3—5月、6—8月、9—11月、12月至次年2月分别划定为春、夏、秋、冬，对资料按年、季的序列进行数理统计、相关分析及显著性检验。

相关函数的计算参照岑思弦等[7-8]给出的公式，任意两点标准化偏差积的平均即为这两点之间的相关函数：

(1)

式中，

f′(A)和Df(A)表示要素f在A点的偏差和方差，f′(B)和Df(B)表示要素f在B点的偏差和方差。

2 气温相关性特征分析

2.1 年际相关特征

铜陵地区国家站近10 a年平均气温为16.97 ℃(铜陵站年均气温为17.06 ℃，枞阳站年均气温为16.89 ℃)，区域站年平均气温为16.74。其变化趋势如图1，可以看出，区域站的年均气温变化趋势较国家站更为平缓，枞阳站2010年前后气温年际变化较大。表1为国家站与区域站气温相关系数分析，并经α=0.05的显著性检验。由表1可知，区域单站与国家站的年平均气温相关度极高，全部显著相关；与铜陵站相关的站点约占86%，而与枞阳站相关的站点则仅有14%。

2.2 季际相关特征

图2为铜陵地区近10 a国家站与区域站季际平均气温变化趋势，可以看出，区域站的季际平均气温变化趋势与国家站变化整体相对一致。铜陵站2014年之后春季平均气温明显偏低，秋、冬季节平均气温明显偏高。表2为其相关分析，并经α=0.05的显著性检验。可见，铜陵地区国家站与区域站之间，夏、冬季节气温相关度较高，而春、秋季节不相关。

图1 铜陵地区国家站与区域站年际 平均气温变化趋势

站点区域站I7152I7153I7154I7753I7754I7755I7757国家站0.84*0.76*0.78*0.9**0.86*0.82*0.82*0.84*铜陵站0.9**0.84*-0.9**0.9**0.9**0.9**0.9**枞阳站0.7*-0.79*0.81*----

注：*为显著相关；**为极显著相关；-为不相关。表2～3同。

图2 铜陵地区国家站与区域站季际平均气温变化趋势

站点春季夏季秋冬季国家站与区域站-0.84**-0.99**铜陵站与区域站-0.82**-0.94**枞阳站与区域站-0.82**-0.99**

铜陵地区国家站春季平均气温为15.58 ℃(季际平均气温铜陵站为15.31 ℃，枞阳站为15.84 ℃)，区域站春季平均气温为17.03 ℃。各区域单站春季平均气温与国家站及铜陵、枞阳本站相关均不显著。

铜陵地区国家站夏季平均气温为27.16 ℃(季际平均气温铜陵站为27.14 ℃，枞阳站为27.18 ℃)，区域站夏季平均气温为27.42 ℃。各区域单站夏季平均气温与国家站及铜陵、枞阳本站相关度均极高。

铜陵地区国家站秋季平均气温为18.57 ℃(铜陵站季际平均气温为18.99 ℃，枞阳站季际平均气温为18.16 ℃)，区域站秋季平均气温为18.13 ℃。各区域单站秋季平均气温与国家站及铜陵、枞阳本站相关性均不显著。

铜陵地区国家站冬季平均气温为5.42 ℃(铜陵站季际平均气温为5.7 ℃，枞阳站季际平均气温为5.15 ℃)，区域站冬季平均气温量为5.24 ℃。各区域单站冬季平均气温与国家站及铜陵、枞阳本站相关性极为显著。

3 降水相关性特征分析

3.1 年际相关特征

铜陵地区国家站近10 a年的平均降水量为1 380.21 mm(年均降水量铜陵站为1 395.49 mm，枞阳站为1 364.93 mm)，区域站年平均降水量为1 278.41 mm。由图3可以看出，区域站的年均降水变化趋势与国家站变化整体相对一致，平均降水量略偏少，变化曲线较为平缓。表3为国家站与区域站降水相关系数分析，并经α=0.05的显著性检验。由表可知，国家站与区域站之间的年均降水相关性极为显著，且优于铜陵、枞阳本站与区域站之间的相关度。但国家站与各区域单站的年平均降水相关性却并不显著。统计得知，年平均降水量与国家站显著相关的区域单站仅有8个，约占32%(与铜陵站显著相关的有6个，与枞阳站显著相关的有4个)。另外，国家站与区域站、各区域单站之间的暴雨日数相关性普遍不显著，本文对其也不再深入讨论。

图3 铜陵地区国家站与区域站年际平均 降水变化趋势

站点年平均降水量相关性年平均暴雨日数相关性国家站与区域站0.98**-铜陵站与区域站0.76*-枞阳站与区域站0.95**-

3.2 季际相关特征

图4为铜陵地区近10 a国家站与区域站季际平均降水变化趋势，可以看出，区域站季平均降水量偏少，其中春季、冬季变化尤为明显。表4则为其相关分析，并经α=0.05的显著性检验。显而易见，铜陵地区国家站与区域站之间的季际降水相关性极为显著，其中，以夏季相关度为最优。

表4 铜陵地区国家站与区域站季际平均 降水量相关关系

铜陵地区国家站春季平均降水为123.94 mm(季际平均降水量铜陵站为119.47 mm，枞阳站为128.41 mm)，区域站春季平均降水量为106.07 mm。春季平均降水量与国家站显著相关的区域单站有14个，约占56%(与铜陵站显著相关的有13个，与枞阳站显著相关的有14个)。

铜陵地区国家站夏季平均降水为200.21 mm(季际平均降水量铜陵站为197.12 mm，枞阳站为203.3 mm)，区域站夏季平均降水量为181.3 mm。夏季平均降水量与国家站显著相关的区域单站有21个，约占84%(与铜陵站显著相关的有21个，与枞阳站显著相关的有15个)。

图4 铜陵地区国家站与区域站季际平均降水量变化趋势

铜陵地区国家站秋季平均降水为72.26 mm(季际平均降水量铜陵站为76.73 mm，枞阳站为67.8 mm)，区域站秋季平均降水量为70.6 mm。秋季平均降水量与国家站显著相关的区域单站有11个，约占44%(与铜陵站显著相关的有8个，与枞阳站显著相关的有14个)。

铜陵地区国家站冬季平均降水为64.27 mm(季际平均降水量铜陵站为69.6 mm，枞阳站为58.94 mm)，区域站冬季平均降水量为52.79 mm。春季平均降水量与国家站显著相关的区域单站有15个，约占60%(与铜陵站显著相关的有12个，与枞阳站显著相关的有14个)。

4 讨论

铜陵地区区域站的年均气温变化趋势较国家站更为平缓，区域单站与国家站的年平均气温相关度极高，为全部显著相关，与铜陵站相关的站点约占86%，而与枞阳站相关的站点则仅有14%。区域站与国家站之间，夏、冬季节气温相关度较高，而春、秋季节相关却不显著。区域站的年均降水量略偏少，与国家站之间的年均降水相关性极为显著，且优于铜陵、枞阳本站与区域站之间的相关度。但国家站与各区域单站的年平均降水相关性却并不显著，年平均降水量与国家站显著相关的区域单站仅有8个，约占32%(与铜陵站显著相关的有6个，与枞阳站显著相关的有4个)。另外，国家站与区域站、各区域单站之间的暴雨日数相关性普遍不显著。区域站季平均降水量偏少，其中春季、冬季变化尤为明显，与国家站之间的季际降水相关性极为显著，其中，以夏季相关度为最优。

可见，铜陵地区区域站的探测数据整体上具有一定的代表性，可与国家站观测资料一起应用于全市的气候分析等工作中。区域单站的气温相关性具有明显季节性，降水量相关性则较为分散，这与区域单站的站点位置、环境以及站点的维护等息息相关。近年来，铜陵市对区域站进行了优化，如增加部分区域单站的气温观测、迁移部分站点等。随着站点优化的不断推进和资料的进一步积累，区域站在区域气象监测预警、防灾减灾等工作中的作用将会愈发显现。